CHARACTERISTICS OF MELTWATER AND RAINWATER RUNOFF DURING COLD PERIOD IN THE SOUTH OF THE EUROPEAN PART OF THE RUSSIAN FEDERATION

ОСОБЕННОСТИ СТОКА ТАЛЫХ И ДОЖДЕВЫХ ВОД В ХОЛОДНЫЙ ПЕРИОД НА ЮГЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Научная статья

Полуэктов Е.В.¹, Петрова И.А.^2, *, Скрыпанев С.Ф.³

² ORCID: 0000-0003-0199-4492;

^{1, 2, 3} Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К. Кортунова Донской государственный аграрный университет, Новочеркасск, Россия

* Корреспондирующий автор (petroffa_i[at]mail.ru)

Аннотация

Особенностью климата юга Европейской части РФ являются мягкие по температурному режиму зимы, неустойчивость снежного покрова, который может за холодный период несколько раз формироваться и таять, выпадение жидких осадков. Особый интерес вызывает интенсивное развитие эрозионных процессов в период снеготаяния, которое сопровождается выпадением жидких осадков.

В статье дана оценка влияния жидких осадков на поверхностный сток и смыв почвы, рассмотрены механизм формирования стока талых вод во время выпадения жидких осадков.

Ключевые слова: эрозия, сток, талые воды, дождевые воды, смыв почвы.

CHARACTERISTICS OF MELTWATER AND RAINWATER RUNOFF DURING COLD PERIOD IN THE SOUTH OF THE EUROPEAN PART OF THE RUSSIAN FEDERATION

Research article

Poluektov E.V.¹, Petrova I.A.^2, *, Skrypanev S.F.³

² ORCID: 0000-0003-0199-4492;

^{1, 2, 3} A. K. Kortunov Novocherkassk Engineering and Land Development Institute, branch of the Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russia

* Corresponding author (petroffa_i[at]mail.ru)

Abstract

The climate of the southern European part of the Russian Federation is characterized by mild winters, unstable snow cover, which can form and melt several times during the cold period, and liquid precipitation. The intensive development of erosion processes during snowmelt, which is accompanied by liquid precipitation, presents particular interest.

The article assesses the effect of liquid precipitation on surface runoff and washout, and examines the mechanism of meltwater runoff formation during liquid precipitation.

Keywords: erosion, runoff, meltwater, rainwater, washout.

Особенностью климата юга Европейской части РФ являются мягкие по температурному режиму зимы, неустойчивость снежного покрова, который может за холодный период несколько раз формироваться и таять, выпадение жидких осадков. Все это нашло отражение в формировании поверхностного стока и смыва почвы. Особый интерес в этом случае вызывает интенсивное развитие эрозионных процессов в период снеготаяния, которое сопровождается выпадением жидких осадков [4], [9].

Для того, чтобы оценить влияние жидких осадков на поверхностный сток и смыв почвы, приведем несколько конкретных примеров за период с 1977 по 2020 гг. Так, 12 и 13 февраля 1977 г. во время оттепели в виде дождя выпало 42 мм осадков. Запас воды в снеге на этот период составлял 6-15 мм, глубина промерзания почвы была равна 48 см.

Интенсивное таяние снега и дождь вызвали бурное развитие эрозионных процессов. Сток талых и дождевых вод на зяби составил 26,0 мм при ко­эффициенте стока 0,49, на посевах озимой пшеницы 44,0 мм при коэффици­енте стока 0,80. Смыв почвы составил соответственно 22,7 и 12,2 т/га. В данном случае следует обратить внимание на тот факт, что даже при небольшом запасе воды в снеге слой стока достигал значительных объёмов – до 50-80% от суммы выпавших осадков и запасов воды в снеге. Этому в немалой степени способствовали климатические условия осеннего периода. В сентябре и первой половине октября выпало большое количество осадков (на 60% выше нормы). В конце октября наступило резкое понижение температуры воздуха, которая опустилась до –5- –15°С. Первые два зимних месяца были малоснежными с устойчивыми отрицательными температурами, что способствовало достаточно глубокому промерзанию почвы. Февраль был тёплым, прерываемым кратковременным похолоданием (6-8 февраля). Это явилось причиной формирования на поверхности почвы ледяной корки. На зяби она носила фрагментарный характер, на посевах озимой пшеницы была практически сплошная. Всё это способствовало значительной потере выпавших жидких осадков с поверхностным стоком.

Несколько в ином плане проявилась роль жидких осадков в холодный период 1977-1978 гг. Осень характеризовалась неравномерным выпадением осадков: на 22% выше нормы в сентябре и в 1,5 раза меньше в октябре и ноябре. В начале декабря температура воздуха понизилась до –13 - –18°С. 16 и 17 декабря во время оттепели выпало 18 мм жидких осадков, которые вызвали сток небольшого объёма (2-7 мм) на зяби и посевах озимой пшеницы. В дальнейшем похолодания чередовались с кратковременными оттепелями. За период с 1 декабря по 3 января выпало 146 мм осадков, что привело к переувлажнению верхнего (0-30 см) слоя почвы, превышающим величину наименьшей влагоемкости (30-32%) в 1,3 раза. Низкая водопроницаемость почвы при глубине промерзания 18-22 см способствовала во время январского похолодания образованию на поверхности почвы притертой ледяной корки. Это явилось причиной возникновения стока талых вод во время массового снеготаяния. Таким образом, жидкие осадки способствовали образованию ледяной корки, а та, в свою очередь, усилению стока талых вод.

Определённый интерес представляют условия формирования стока в 1980-1981 гг. Первые два осенних месяца по количеству осадков и темпера­туре были близки к среднемноголетней норме. За ноябрь выпало 59,6 мм осадков, что в 1,6 раза больше нормы. Почва, а вернее верхний 0-30 см слой, ушёл в зиму переувлажнённым. Снег в течение зимы выпадал несколько раз. Однако в результате оттепелей через 4-8 дней он таял. Средняя из макси­мальных высот его составила 10 см. За зиму в виде снега и дождя выпало 204,9 мм осадков, в том числе по месяцам: в декабре – 74,0, январе – 58,7, феврале – 72,2 мм. Температура воздуха превысила среднемноголетнюю на 3,5-3,9°. Понижение температуры произошло в конце февраля и начале марта, что способствовало промерзанию переувлажнённой почвы на 30-33 см. 4 марта наступила оттепель, а 5 марта выпал дождь слоем 31,6 мм. Осадки распределились следующим образом: с полуночи до восьми часов утра выпало 15,3 мм, и с 8⁰⁰ – до 15⁰⁰ - 16,3 мм. На уплотнённой пашне насыщение влагой верхнего оттаявшего на 4-6 см слоя почвы до состояния полной влагоёмкости и водонепроницаемый мёрзлый экран ниже этой глубины вызвали сток слабой интенсивности около 12 мм. На зяби, где водопроницаемость оказалась удовлетворительной, стока не наблюдалось.

Разберём более подробно механизм формирования стока талых вод во время выпадения жидких осадков на примере зимы 2016-2017 гг. Зимние месяцы в целом были холодными. Устойчивая отрицательная температура воздуха установилась со второй половины декабря, прерываемая в отдельные дни кратковременными оттепелями. Снег выпадал периодически и частично таял. Глубина промерзания почвы к концу января составила 31-32 см. Во время резкого потепления 31 января возник сток талых вод на посевах озимой пшеницы. Слой стока не превышал 3,5 мм. На зяби стока не наблюдалось. Затем наступало устойчивое похолодание с минимальной температурой 8 февраля до -13,1°С. Оно продержалось до 20-го числа этого месяца. Отрицательные температуры способствовали промерзанию почвы до глубины 45 см. Верхний слой 0-5 см был переувлажнён как на зяби, так и на посевах озимой пшеницы, влажность составляла 41-44 % от абсолютно сухой почвы.

Таяние снега началось 21 февраля и продолжилось до 24-го числа. Температура воздуха днём составила 3-6°С. Резко усилили таяние снега и отдачу воды осадки в количестве 13,8 мм в виде дождя, выпавшие 22 и 23 февраля. В конечном итоге это привело к усилению поверхностного стока. Так как на поверхности почвы имелась фрагментарная ледяная корка, а водо­проницаемость характеризовалась как очень низкая, значительная часть воды уходила со стоком. Наблюдалась тесная взаимосвязь между глубиной отта­явшего верхнего слоя почвы, величиной водопроницаемости и слоем стока (таблица 1), но наибольшее влияние на сток оказали осадки в виде дождя.

В целом слой стока за холодный период 2017 г. составил с зяби 20,3 мм при коэффициенте стока 0,44, с посевов озимой пшеницы – 25,9 мм, коэффициент стока – 0,52.

 

Таблица 1 – Показатели состояния почвы на посевах озимой пшеницы

Дата проведения исследования	Глубина оттаявшего слоя почвы, см	Величина водопроницаемости (средняя за 2 ч), мм/мин	Сток талых и дождевых вод, мм	Количество выпавших жидких осадков, мм
21.02	0,3	0,0002	2,4	0
22.02	0,5	0,0005	8,3	4,2
23.02	1,1	0,0019	12,1	9,6
24.02	4,3	0,21	0	0

 

Согласно шкале интенсивности проявления стока талых вод (по Сурмачу Г.П., 1978), сток 2017 г. может классифицироваться как сильный, на что в немалой степени оказали влияние выпавшие жидкие осадки. Они же явились основной причиной значительных потерь твёрдого стока. Смыв почвы в пересчете на 1 га составил на отвальной зяби 22-23 т/га, на зяби, обработанной чизелем, – 18-19 т/га и на посевах озимой пшеницы – 12-14 т/га. Для сравнения смыв почвы при снеготаянии в период 1977-2018 гг. составил на рыхлой пашне 6-8 т/га, уплотненной – 3-4 т/га.

Для того, чтобы лучше понять отличия в особенностях формирования поверхностного стока и смыва почвы только от таяния снега и при таянии снега и выпадении жидких осадков, возьмем для сравнения два приблизительно равных по слою стока года – 2014 и 2017. И в том и другом случаях сток воды и смыв почвы учитывался по двум агрофонам: рыхлая и уплотненная пашня. Согласно современным представлениям в эрозиоведении пашня по отношению к формированию и генезису стока талых и дождевых вод подразделяется на рыхлую и уплотненную. К первой относится зябь с глубиной обработки не менее 20-22 см, ко второй – посевы озимых культур, многолетние травы, нулевая и минимальная (на глубину 10-12 см) обработки. Отличаются они друг от друга в 0-30 см слоя почвы плотностью сложения, пористостью, количеством водопрочных агрегатов и, в конечном итоге, водопроницаемостью, а отсюда они по-разному влияют на формирование поверхностного стока [2], [5], [7].

Для обыкновенных чернозёмов места проведения исследований рыхлая пашня характеризовалась следующими показателями: плотность сложения 0-30 см перед уходом в зиму в пределах 1,01-1,12 г/см³, количество водопрочных агрегатов 42-52 %, величина водопроницаемости 1,35-2,70 м/мин, отношение некапиллярных пор к капиллярным 1:1,3-1:1,5. Таким параметрам отвечают зяблевые обработки, проведённые плугом, плоскорезом, чизелем и другими орудиями для основной обработки почвы на указанную глубину. Вторая группа сельскохозяйственных угодий, отнесённая к уплотнённой характеризуется следующими показателями: плотность сложения 1,15-1,24 г/см³, количество водопрочных агрегатов 44-55 %, величина водопроницаемости 0,77-1,10 м/мин, отношение некапиллярных пор к капиллярным 1:3,0- 1:3,3. Такое строение пахотного слоя характерно для посевов озимых культур, многолетних трав, нулевых и поверхностных обработок, деградированных пастбищ и сенокосов.

Основные параметры, влияющие на поверхностный сток и смыв почвы по фону рыхлой и уплотненной пашни, приведены в таблице 2.

Как следует из представленных данных, глубина промерзания почвы по взятым агрофонам в годы проведения исследований отличались незначительно, что указывает на приблизительно одинаковый температурный режим холодного периода. Запас воды в снеге перед снеготаянием в 2014 г. на уплотненной пашне был на 12,1 мм выше, чем на рыхлой. Это соответствует многолетним показателям для данных агрофонов, как для условий Ростовской области, так и для других районов юга ЕТР [5], [6], [8].

Несколько иное положение складывалось при выпадении жидких осадков. Здесь разница в запасах воды в снеге по агрофонам перед снеготаянием была минимальная, но выпавшие осадки существенно увеличили его, вызывая при этом ускоренное таяние снега.

 

Таблица 2 – Основные показатели поверхностного стока в 2014 и 2017 гг.

Показатели стока	Сельскохозяйственные агрофоны, годы исследований
	Рыхлая пашня		Уплотненная пашня
	2014	2017	2014	2017
Запас воды в снеге + осадки, мм	25,8	32,2+13,8	47,9	35,9+13,8
Глубина промерзания почвы, см	44	45	48	47
Влажность 0-30 см слоя почвы, %	39,8	41,7	41,5	43,8
Коэффициент стока	0,20	0,44	0,38	0,52
Сток, мм	7,3	20,3	18,2	25,9
Смыв почвы, т/га	5,8	21,4	3,9	12,0
Продолжительность снеготаяния, час.	25	15	29	15
Мутность стока, г/л	7,2	28,7	3,9	15,9
Объем воды на смыв 1 т почвы, мм	1,26	0,94	4,86	2,16
Скорость водных потоков, м/сек	0,24-0,35	0,40-0,56	0,20-0,37	0,36-0,42

 

На объем стока в значительной степени повлияла влажность верхнего 0-30 см слоя почвы. В год формирования поверхностного стока при выпадении жидких осадков чередование оттепелей с периодами резкого похолодания перед основным периодом снеготаяния способствовали переувлажнению верхнего слоя почвы. По сравнению с 2014 г. в 2017 г. влажность 0-30 см слоя почвы на рыхлой пашне была на 1,9, а на уплотненной – на 2,3 % выше в абсолютных значениях, что, несомненно, отразилось на водопроницаемости почвы и в конечном итоге на величине стока.

Слой стока при классическом варианте снеготаяния (2014 г.) на рыхлой пашне был почти в три раза меньше, чем при выпадении жидких осадков. На уплотненной пашне эта разница составила всего лишь 7,7 мм. И еще одна деталь, которая существенно отличает объем стока в год выпадения осадков от года со снеготаянием, эта разница между рыхлой и уплотненной пашней. При только одном снеготаянии слой стока на уплотненной пашне до двух и более раз больше, чем на рыхлой. В годы выпадения жидких осадков, особенно если они стали причиной формирования ледяной корки на поверхности почвы, различия между рыхлой и уплотнённой пашней в слое стока сглаживаются. В приведенном примере разница в слое стока составила всего 5,3 мм в пользу уплотнённой пашни.

Выпадающие жидкие осадки в период снеготаяния ускоряют процесс таяния снега. По результатам наших исследований продолжительность снеготаяния, сопровождающееся стоком, составила 25-29 часов в зависимости от запасов воды в снеге, а при выпадении дождя почти в два раза быстрее на обоих агрофонах. Несомненно, этот нюанс и некоторые другие заметно повлияли на величину смыва почвы. Верхний 0-5 см слоя почвы к моменту снеготаяния в результате чередования процессов замерзания и оттаивания практически лишен водопрочной структуры и легко поддается смыву водными потоками. Положение усугубляется выпадением жидких осадков. Капли дождя вызывают еще большее дробление почвенной структуры, усиление пульсации в потоке, повышение мутности воды.

Величина смыва почвы на рыхлой пашне (безотвальная зябь) в 2014 г. составила 5,8 т/га, а в 2017 г. – в 3,6 раза больше. На посевах озимой пшеницы смыв был заметно меньше во все годы наблюдений, что связано с развитой корневой системой растений, обеспечивающей противоэрозионную устойчивость почвы. Тем не менее, количество потерянной почвы при выпадении жидких осадков в четыре раза больше, чем от стока при снеготаянии. Как видим, из полученных данных в год с выпадением дождей во время снеготаяния смыв почвы намного больше, чем только при снеготаянии.

Отличительная особенность поверхностного стока при выпадении дождей – высокая насыщенность потока взвешенными и влекомыми потоками воды твердыми частицами, в связи с чем, даже при одинаковом слое стока, в этом случае смывается большее количество почвы. Мутность потоков при выпадении дождей составляла на зяби 28,7, а посевах озимой пшеницы 14-16 г/л, что в три раза больше, чем от стока при снеготаянии.

Большему смыву почвы также способствовала скорость водных потоков, которая при снеготаянии составляла 0,20-0,37 м/сек, а при выпадении дождей увеличивалась на рыхлой пашне в 1,6, а на уплотненной – в 1,4 раза. Согласно данным наших исследований и других ученых на обыкновенных черноземах размывающая скорость потока глубиной 1 см, не испытывающих ударного воздействия капель дождя, составляет на рыхлой пашне 0,22-0,27, на посевах озимых культур – 0,30-0,37 м/сек. При выпадении дождей на зяби размывающая скорость составляет 0,21-0,25, а на посевах озимых культур 0,26-0,32 м/сек [3], [5], [7], [8].

Согласно сделанным расчетам на смыв одной тонны почвы во время снеготаяния на рыхлой пашне тратится 1,26 мм воды поверхностного стока, а при выпадении жидких осадков 0,95 мм. Гораздо больший объем воды уходит на смыв почвы под посевами озимых культур или многолетних трав (уплотненная пашня), что связано с почвозащитной способностью их корневых систем: при снеготаянии – 4,67 мм, а при выпадении жидких осадков в период снеготаяния – 2,16 мм. И в том, и в другом случае при выпадении дождей смыв одной тонны почвы сопровождается меньшим количеством воды поверхностного слоя на рыхлой пашне в 1,3, а на уплотненной – в 2,2 раз, чем при снеготаянии. Это ещё раз подчёркивает большую эродирующую способность выпадающих жидких осадков.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы.

1. Выпадение жидких осадков в холодный период способствует переувлажнению верхнего (0-30 см) слоя почвы, что при резкой смене температурного режима приводит к образованию на поверхности пашни ледяной корки. Водопроницаемость почвы при этом заметно снижается, а сток талых дождевых вод при снеготаянии резко увеличивается.
2. Выпадающие жидкие осадки в период снеготаяния на разжиженный верхний слой почвы вызывают еще большее дробление почвенной структуры, а повышенная отдача воды из снега увеличивает слой стока в 1,3-2,0 раза по отношению к годам со снеготаянием. Величина смыва почвы в данной ситуации в 1,3-2,0 раза превышала годы от стока при снеготаянии.
3. На смыв одной тонны почвы во время снеготаяния на зяби затрачивалось в среднем 1,20 мм талой воды, а на посевах озимых культур – 3,96 мм. При выпадении жидких осадков данные показатели были на зяби на 21 и посевах озимых культур 45% меньше, что указывает на большую размывающую способность водных потоков при снеготаянии от дождя.
4. Ситуация с выпадением дождей в период снеготаяния повторяется на юге ЕТР один раз в 3-4 года.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Агролесомелиорация: монография / Под ред. А.Л. Иванова, К.Н. Кулика. – Волгоград, 2006. – 746 с.
2. Барабанов А.Т. Теория и практика разработок систем агролесомелиоративных почвозащитных мероприятий в адаптивно-ландшафтном земледелии / А.Т. Барабанов // Известие Оренбургского государственного университета. – 2015. - № 2. – С. 28-31.
3. Ивонин В.М. Лесомелиорация ландшафтов: учебник. / В.М. Ивонин – Новочеркасск: Лик, 2018. – 206 с.
4. Климат и агроклиматические ресурсы Ростовской области / Ю.П. Хрусталев, В.Н. Высиленко, И.В. Свисюк и др. – Ростов н/Д, 2002. – 184 с.
5. Полуэктов Е.В. Противоэрозионные мелиорации земли / Е.В. Полуэктов; Новочерк. гос. мелиор. акад. – Новочеркасск: Лик, 2011. – 250 с.
6. Системы земледелия нового поколения Ставропольского края / В.В. Кулинцев, Е.И. Годунова, Л.И. Желнакова и др.; Ставропольский гос. аграрн. ун-т. – Ставрополь: АГРУС, 2013. – 520 с.
7. Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней / Г.П. Сурмач. – Л., 1976. – 256 с.
8. Условия формирования поверхностного стока. Прогноз причиняемого ущерба. Компенсационные мелиоративные мероприятия: монография / В.Н. Щедрин, Г.Т. Балакай, Е.В. Полуэктов и др. – Новочеркасск: РОСНИИПМ, 2016. – 450 с.
9. Экологический вестник Дона. – Ростов н/Д, 2008. – 372 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Agrolesomelioracija: monografija [Agroforestry: A Monograph] / Edited by A. L. Ivanov, K. N. Kulik. - Volgograd, 2006 – 746 p. [in Russian]
2. Barabanov A. T. Teorija i praktika razrabotok sistem agrolesomeliorativnykh pochvozashhitnykh meroprijatijj v adaptivno-landshaftnom zemledelii [Theory and practice of development of systems of agroforestry and soil protection measures in adaptive landscape agriculture] / A. T. Barabanov // Izvestie Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Orenburg State University]. - 2015. - No. 2, pp. 28-31 [in Russian]
3. Ivonin V. M. Lesomelioracija landshaftov: Uchebnik [Lesomelioration of landscapes: a textbook] / V. M. Ivonin - Novocherkassk: Lik, 2018 – 206 p. [in Russian]
4. Klimat i agroklimaticheskie resursy Rostovskojj oblasti [Climate and agroclimatic resources of the Rostov region] / Yu. P. Khrustalev, V. N. Vysilenko, I. V. Svisyuk et al. - Rostov-on-Don, 2002. - 184 p. [in Russian]
5. Poluektov E. V. Protivoehrozionnye melioracii zemli [Antierosion land reclamation] / E. V. Poluektov; Novocherkassk State Melioration Academy. - Novocherkassk: Lik, 2011. - 250 p. [in Russian]
6. Sistemy zemledelija novogo pokolenija Stavropol'skogo kraja [Systems of agriculture of the new generation of Stavropol Krai] / V. V. Kulintsev, E. I. Godunova, L. I. Zhelnakova et al.; Stavropol State Agrarian University.-Stavropol: AGRUS, 2013 – - 520 p. [in Russian]
7. Surmach G. P. Vodnaja ehrozija i bor'ba s nejj [Water erosion and the fight against it] / G. P. Surmach. - L., 1976 – 256 p. [in Russian]
8. Uslovija formirovanija poverkhnostnogo stoka. Prognoz prichinjaemogo ushherba. Kompensacionnye meliorativnye meroprijatija: monografija [Conditions for the formation of surface runoff. Forecast of the damage caused. Compensatory meliorative measures: a monograph] / V. N. Shchedrin, G. T. Balakai, E. V. Poluektov et al.. - Novocherkassk: ROSNIIPM, 2016. - 450 p. [in Russian]
9. Ehkologicheskijj vestnik Dona [Ecological Bulletin of the Don]. - Rostov-on-Don, 2008 – 372 p. [in Russian]